Adaptação termoenergética de uma edificação escolar às mudanças climáticas

Abstract

Edifícios escolares são particularmente vulneráveis ao aquecimento global devido à sua alta densidade de ocupação. O desconforto térmico, situação recorrente em diversas escolas públicas brasileiras, raramente climatizadas, pode causar prejuízos às atividades desenvolvidas, influenciando no desempenho acadêmico. Esse trabalho teve como objetivo analisar quais combinações de medidas passivas e ativas de baixo consumo de energia aplicadas no retrofit de uma edificação escolar são técnica e economicamente viáveis para Viçosa-MG, Brasil em um cenário de mudanças climáticas. As etapas consistiram em: (1) uma revisão de literatura de medidas de retrofit aplicadas a edifícios escolares em climas similares ao de Viçosa; (2) análise de estratégias bioclimáticas recomendadas para a cidade considerando- se cenários do IPCC; (3) criação e calibração de um modelo computacional de um edifício existente para análise de alternativas de retrofit; (4) avaliação do conforto térmico proporcionado por diferentes configurações das aberturas para ventilação natural e (5) a avaliação de medidas de retrofit por otimização baseada em simulação. Um Indicador de Otimização de Desempenho integrou a viabilidade econômica, a economia de energia, as emissões operacionais de CO2 evitadas, o conforto térmico e a concentração de CO2. A análise das estratégias bioclimáticas indicadas para Viçosa apontou a ventilação natural como a opção mais significativa para o conforto térmico, tanto para as condições climáticas históricas como futuras. Embora a ventilação natural permanente tenha o potencial de reduzir em até 72,5% o percentual de horas ocupadas em desconforto por calor para o período histórico e em até 55,4% para o cenário de maiores emissões de CO2 do IPCC, segundo a abordagem do conforto térmico adaptativo da ASHRAE 55, ela não é capaz de proporcionar conforto térmico em todos os períodos do ano, sendo necessária a adoção de medidas complementares. As bombas de calor e a edificação naturalmente ventilada foram tomadas como dois casos-base para avaliação das medidas de retrofit. A combinação de medidas que proporcionou o maior equilíbrio entre todos os indicadores foi a ventilação permanente pelas janelas, pintura fria aplicada nas portas externas e na cobertura, e sistema fotovoltaico na cobertura – o que classificaria o edifício como NZEB. Como alternativa ao edifício condicionado com bombas de calor, a mesma solução foi encontrada, mas com um sistema evaporativo para resfriamento. Como principal contribuição da pesquisa, a metodologia empregada para a otimização e o Indicador de Otimização de Desempenho podem ser aplicados a outras tipologias de edifícios e outros climas. Palavras-chave: retrofit; medidas de conservação de energia; conforto térmico; viabilidade econômica; simulação computacional; calibração; otimização baseada em simulação.School buildings are particularly vulnerable to global warming due to their high occupancy density. Thermal discomfort, a recurring condition in many Brazilian public schools, which are rarely mechanically conditioned, can negatively affect school activities and influence academic performance. This study aimed to analyze which combinations of passive and low-energy active measures applied in the retrofit of an educational building are technically and economically feasible for Viçosa, Minas Gerais (MG), Brazil, in a climate change scenario. The stages consisted of: (1) a literature review of retrofit measures applied to school buildings in climates similar to that of Viçosa; (2) an analysis of bioclimatic strategies recommended for the city, considering IPCC scenarios; (3) the development and calibration of a computational model of an existing building to assess retrofit alternatives; (4) an evaluation of thermal comfort resulting from different configurations of existing openings for natural ventilation; and (5) an assessment of retrofit measures through simulation-based optimization. A Performance Optimization Indicator (POI) incorporated economic feasibility, energy savings, avoided operational CO emissions, thermal comfort, and CO concentration. The analysis of the bioclimatic strategies recommended for Viçosa identified natural ventilation as the most significant option for improving thermal comfort under both historical and future climate conditions. Although continuous natural ventilation has the potential to reduce the percentage of occupied hours experiencing heat discomfort by up to 72.5% for the historical conditions and up to 55.4% for the IPCC high-emissions scenario, according to the ASHRAE 55 adaptive thermal comfort approach, it is unable to provide thermal comfort throughout the entire year, thereby requiring complementary measures. Heat pumps and the naturally ventilated building were adopted as two baseline cases for evaluating the retrofit measures. The combination of measures that provided the best balance among all indicators was permanent window ventilation, the application of cool paint on external doors and the roof, and the installation of a rooftop photovoltaic system, which would classify the building as a net-zero energy building (NZEB). As an alternative to the building conditioned with heat pumps, the same solution was identified, but with an evaporative cooling system. As the main contribution of the study, the optimization methodology and the Performance Optimization Indicator can be applied to other building typologies and climates. Keywords: retrofit; energy conservation measures; thermal comfort; economic viability; computational simulation; calibration; simulation-based optimization